Наноструктурирующее связующее для композиционных строительных материалов
Владельцы патента RU 2408552:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет - ГОУ ВПО ВГАСУ (RU)
Изобретение относится к составу наноструктурирующего связующего для композиционных строительных материалов, основанных на жидком стекле, и наноструктурирующих добавках, используемых для изготовления кислотостойких бетонов, шпаклевок и других составов. Наноструктурирующее связующее для композиционных строительных материалов, содержит жидкое стекло, тетрафурфуриловый сложный эфир ортокремниевой кислоты и отвердитель. При этом часть жидкого стекла заменяется на органическое щелочное жидкое стекло, содержащее органический катион 1,8-диазабициклоундецен-7 или 1,5-диазабициклононен-5-2-4. Использование наноструктурирующего связующего позволяет повысить кислотостойкость, водостойкость и прочности строительных материалов и расширить область их применения. 2 н.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к строительным материалам, используемым для изготовления кислотостойких бетонов, замазок, шпатлевок и других, а именно к составам на основе жидкого стекла.
Для повышения прочности, термо- и огнестойкости строительных материалов и конструкций из них в состав связующего вводятся тетрафурфуриловые сложные эфиры ортокремниевой кислоты (тетрафурфурилоксисиланы - ТФС). Причем тетрафурфурилоксисиланы синтезированы путем переэтерификации тетраэтоксисилана фурфуриловым спиртом.
Состав связующего содержит, мас.%: жидкое стекло - 80-95, тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 2-7, отвердитель - кремнийфтористый натрий 13. При этом как часть жидкого стекла используется органическое щелочное жидкое стекло, где в качестве органического катиона берется 8-диазабициклоундецен-7 или 1,5-диазабициклононен-5 - 2-4.
Известен состав связующей композиции для смесей (А.с. №2008998, кл. В22С 1/22), содержащий следующие компоненты, мас.%:
кислотоотверждаемая эпоксидная смола - 23-72;
продукт взаимодействия этиловых эфиров ортокремниевой кислоты с фурфуриловым спиртом (в пересчете на основное вещество) - 8-52;
органический пероксид или (и) гидропероксид - остальное.
Однако такая композиция применима только в литейном производстве, а именно к составам смесей, отверждаемых продувкой сернистым ангидритом, при изготовлении стержней и форм, требует специального оборудования для получения смеси.
Цель изобретения - повышение кислотостойкости, влагостойкости и прочности строительных материалов и расширение области их применения.
Применение растворимых силикатов натрия (жидких стекол) объясняется широким использованием их как связующих компонентов для изготовления жаропрочных, химически стойких материалов. Жидкие стекла проявляют высокую когезионную прочность, легки и безопасны, имеют низкую стоимость, не коррозируют, не испаряют пожароопасных летучих компонентов и не ухудшают окружающую среду в процессе эксплуатации.
Растворимый в воде силикат, содержащий органический щелочной катион, получают взаимодействием солей четверичного органического производного аммония с аморфным кремнеземом. Растворимые органические щелочные силикаты как, например, силикат тетрабутиламмония (ТБАС) используют как компонент для самозатухания связующего.
Введение в связующее наноструктурирующего компонента - тетрафурфурилового сложного эфира ортокремниевой кислоты (ТФС) приводит к образованию наночастиц SiO2, которые действуют как центры кристаллизации и зародышеобразования, и фурфурилового спирта, который заполняет кремнекислую матрицу и формирует сетчатый полимер. Добавление ТФС увеличивает механическую и химическую стойкость связующего и широко используется для подготовки кислотоупорных бетонов и шпатлевок (Антикоррозионная служба предприятий: Справ. изд. - Степанов И.А., Савельева Н.Я., Фиговский О.Л. М.: Металлургия, 1987, с.91-92).
Характеристика используемых в связующем компонентов:
стекло натриевое жидкое марки К с массовым соотношением SiO2/Na2O=2,88 (ГОСТ 13078-81);
отвердитель - натрий кремнийфтористый Na2SiF6 (ГОСТ 6-09-1461-85) ч.д.а.;
наноструктурирующая добавка Si(O2C5H5)4 - продукты взаимодействия этиловых эфиров ортокремниевой кислоты с фурфуриловым спиртом (ТУ 59-020-04);
в качестве этиловых эфиров ортокремниевой кислоты использовался тетраэтоксисилан (C2H5O)4Si (ТУ-6-02-708-76) с содержанием SiO2 в пересчете на диоксид кремния 60 мас.%.
Взаимодействием тетраэтоксисилана с полным или частичным замещением его этоксигрупп фурфурилоксигруппами фурфурилового спирта получают тетрафурфурилоксисиланы (ТФС). В настоящее время тетрафурфурилоксисиланы получены в виде опытно-промышленных образцов.
Растворимый в воде силикат с органическими катионами типа 1,8-диазабициклоундецена-7 и 1,5-диазабициклононена-5 производит фирма Polymate, Ltd (Израиль) под торговыми названиями DBUS и DBNS соответственно. Соотношение SiO2/органическое основание для DBUS составляет 1,65:1 и для DBNS 2,0:1 соответственно.
Содержание силикатов в жидких стеклах составляет, мас.%: жидкое стекло - силикат натрия марки К - 57,3; растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 63,8; растворимый в воде силикат под торговым названием DNNS - 62,3.
Предлагаемое наноструктурирующее связующее получают ламинарным смешиванием жидкого стекла, содержащего катионы щелочных металлов типа Na; тетрафурфурилового сложного эфира ортокремневой кислоты (ТФС) и растворимого в воде силиката, содержащего органический щелочной катион типа 1,8-диазабициклоундецена-7 или 1,5-диазабициклононена - 5 в следующем соотношении, мас.%:
жидкое стекло - 80-95;
тетрафурфуриловый сложный эфир ортокремневой кислоты (ТФС) - 2-7;
растворимый в воде силикат, содержащий органический щелочной катион - 2-4.
После смешивания всех компонентов связующего его необходимо использовать в течение 2-3 часов. Добавление отвердителя осуществляется совместно с тонкомолотым минеральным наполнителем.
К испытанию были подготовлены следующие составы связующего, мас.%:
Состав 1:
жидкое стекло - 95;
тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 3;
растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 2.
Состав 2:
жидкое стекло - 88;
тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 8;
растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 4.
Состав 3:
жидкое стекло - 92;
тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 5;
растворимый в воде силикат под торговым названием DNNS - 3.
Состав 4:
жидкое стекло - 88;
тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 8;
растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 4.
Для экспериментальной проверки свойств предлагаемого связующего были изготовлены различные строительные материалы: кислотостойкий бетон, кислотостойкие замазки и шпатлевки.
Кислотоупорные бетоны были подготовлены смешиванием компонентов в следующих пропорциях (см. таблицу 1). Испытания силикатных бетонов, приведенных в таблице 1, представлены в таблице 2.
Данные таблицы 2 показывают, что предел прочности при сжатии бетонов увеличивается на 30%, а водопроницаемость уменьшается более чем в 15 раз. Бетоны на жидком стекле без добавки ТФС имели предел прочности при сжатии менее 27,0 МПа.
Кислотостойкие замазки и шпатлевки были приготовлены смешиванием компонентов (см. таблица 3). Результаты испытаний замазок и шпатлевок представлены в таблице 4. Результаты испытаний показывают, что использование шпатлевки с наноструктурирующим связующим увеличивает адгезионную прочность на 50%.
| Таблица 1 | ||||
| Наименование компонентов бетонных смесей | Содержание, мас.% | |||
| Бетон №1 | Бетон №2 | Бетон №3, без добавки DNNS | Бетон №4, без добавки DBUS | |
| Связующее, состав 3 | 13,4 | - | 13,4 | - |
| Связующее, состав 1 | - | 13,2 | - | 13,2 |
| Кремнекислый натрий (Sуд - 2700 см2/г) | 1,8 | 1,7 | 1,8 | 1,7 |
| Порошок диабаза (Sуд - 3000 см2/г) | 18,0 | 18,0 | 18,0 | 18,0 |
| Кварцевый песок (Мкр - 2,4) | 28,0 | 28,0 | 28,0 | 28,0 |
| Гранитный щебень | 38,8 | 39,1 | 38,8 | 39,1 |
| Таблица 2 | ||||
| Свойства | Предлагаемые бетоны | |||
| Бетон №1 | Бетон №2 | Бетон №3, без добавки DNNS | Бетон №4, без добавки DBUS | |
| Предел прочности при сжатии, МПа | 49,2 | 48,7 | 37,1 | 35,4 |
| Водопроницаемость, диффузия, 10-7 см2/г | ||||
| После 7 дней | 0,42 | 0,48 | 8,77 | 8,96 |
| После 30 дней | 0,14 | 0,16 | 6,31 | 6,44 |
| Коэффициент кислотоупорности после 360 дней в | ||||
| 5% HCl | 1,03 | 1,02 | 0,97 | 0,93 |
| 20% HCl | 1,12 | 1,07 | 0,96 | 0,91 |
| 5% H2SO4 | 1,06 | 1,05 | 0,93 | 0,94 |
| 20% H2SO4 | 1,17 | 1,18 | 0,92 | 0,90 |
| Таблица 3 | ||||
| Наименование компонентов шпатлевочных смесей | Содержание, мас.% | |||
| Шпатлевка №1 | Шпатлевка №2 | Шпатлевка №3, без добавки DBUS | Шпатлевка №4, без добавки DBUS | |
| Связующее, состав 2 | 41,0 | - | 41,0 | - |
| Связующее, состав 4 | - | 34,0 | - | 34,0 |
| Кремнекислый натрий (Sуд - 2700 см2/г) | 6,0 | 6,2 | 6,0 | 6,2 |
| Порошок диабаза (Sуд - 3000 м2/г) | 53,0 | - | 53,0 | - |
| Порошок андезита (Sуд - 2600 см2/г) | - | 59,8 | - | 59,8 |
| Таблица 4 | ||||
| Свойства | Предлагаемые шпатлевки | |||
| Шпатлевка №1 | Шпатлевка №2 | Шпатлевка №3, без добавки DBUS | Шпатлевка №4, без добавки DBUS | |
| Сила сдвига (ASTMD1002-05) | ||||
| Керамика - сталь, МПа | 1,54 | 1,48 | 0,92 | 0,95 |
| Керамика - керамика, МПа | 1,90 | 1,94 | 1,18 | 1,22 |
| Адгезионная прочность на растяжение, МПа | ||||
| Керамика - сталь | 0,98 | 1,04 | 0,47 | 0,51 |
| Керамика - керамика | 1,27 | 1,30 | 0,55 | 0,54 |
1. Состав наноструктурирующего связующего для кислотостойких бетонов, содержащий растворимый в воде силикат и тетрафурфуриловый сложный эфир ортокремниевой кислоты (ТФС), в котором часть жидкого стекла заменяется на органическое щелочное жидкое стекло, содержащее органический катион 1,8-диазабициклоундецена-7 или 1,5-диазабициклононена-5, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| жидкое стекло | 92-95 |
| тетрафурфурилоксисилан (ТФС) | 3-5 |
| органическое щелочное жидкое стекло | 2-3 |
2. Состав наноструктурирующего связующего для кислотостойких замазок и шпатлевок имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
| жидкое стекло | 88 |
| тетрафурфурилоксисилан (ТФС) | 8 |
| органическое щелочное жидкое стекло | 4 |
